simulasi cfd

Bab 4: Proses Simulasi

Halaman - 34 -

BAB IV

PROSES SIMULASI

4.1. Pendahuluan

Di dalam bab ini akan dibahas mengenai proses simulasi. Dimulai dengan

langkah secara umum untuk tiap tahap, data geometri turbin serta kondisi operasi.

Data yang ditulis hanyalah data yang digunakan dalam simulasi, data lain yang

tidak diperlukan tidak ditulis. Selain itu penggunaan perangkat lunak yang dipakai

tidak akan terlalu detail dibahas, hanya terbatas pada langkah langkah intinya.

Simulasi turbin diawali dengan membuat model turbin serta mesh yang

akan digunakan sebagai domain komputasi di dalam CATIA dan ANSYS ICEM

CFD. Setelah itu simulasi dilanjutkan dengan mensimulasikan aliran udara di

sekitar turbin dengan ANSYS CFX. Parameter yang dimasukkan bersumber dari

data operasional turbin. Beberapa macam simulasi yang dilakukan akan dibahas di

bab selanjutnya.

4.2. Data Awal

Turbin uap dalam Tugas Akhir ini adalah tipe Double Flow Impulse

Reaction Condensing Turbine. Turbin ini merupakan gabungan turbin tipe impuls

dan reaksi dan memiliki 2 arah aliran uap yang berkebalikan. Dua tingkat pertama

turbin merupakan bilah tipe impuls, sedangkan 3 tingkat terakhir merupakan tipe

reaksi

Simulasi dalam tugas akhir ini hanya untuk tingkat pertama saja dari

konfigurasi turbin lengkap. Data yang diperlukan untuk simulasi adalah data

geometri turbin serta kondisi operasionalnya.

Gambar 4.1 Profil bilah stator


Halaman - 35 -

Gambar 4.2 Profil bilah rotor awal (impuls)

Gambar 4.3 Profil bilah rotor pengganti (50% reaksi)

Bilah stator turbin mempunyai tinggi 52 mm, dengan panjang chord

airfoilnya 50 mm. Jumlahnya dalam satu lingkaran penuh adalah 100 buah.

Sedangkan bilah rotor turbin mempunyai panjang chord 40 mm. Tinggi bilah 60

mm dengan jumlah 178 bilah dalam 1 lingkaran penuh. Untuk lebih jelasnya

dapat dilihat di tabel berikut.

Tabel 4.1 Dimensi, jumlah bilah dan panjang bilah

Chord length (mm) Jumlah bilah Hub-shroud (mm) Stator 50 100 52 Rotor 40 178 60 Untuk data kondisi operasi diambil hanya beberapa data yang seperlunya

saja. Data tersebut meliputi temperatur masuk stator sebesar 161.9 °C, tekanan

masuk stator 6.31 bar, tekanan keluar rotor sebesar 2.53 bar. Untuk lebih jelasnya

dapat dilihat di tabel berikut.

Tabel 4.2 Data operasional yang dipakai

Temperatur inlet ( C ) 161.9 Tekanan total inlet (bar) 6.31 Tekanan outlet (bar) 2.53


Halaman - 36 -

Kondisi batas inlet dan outlet :

• Inlet : Pressure inlet ; kondisi batas ini memberikan harga besar tekanan di

daerah masuk aliran

• Outlet : Pressure outlet ; kondisi batas ini mmberikan harga besar tekanan

di daerah keluar aliran

Kondisi batas yang lain :

• Periodic ; kondisi batas ini mendefinisikan bahwa terjadi daerah yang

berulang untuk bilah-bilah di sebelahnya sehingga tidak perlu membuat

domani komputasi untuk keseluruhan model (1 lingkaran penuh).

• Wall ; kondisi batas ini diberikan pada semua permukaan bilah, hub dan

shroud.

Gambar 4.4 Kondisi batas pada domain komputasi

4.3 Berbagai kasus yang Disimulasikan [9, 10]

Denga prosedur simulasi seperti yang telah dijelaskan diatas maka dikembangkan

beberapa kasus. Simulasi yang dilakukan meliputi :

A. Simulasi untuk meningkatkan akurasi perhitungan :

1. Simulasi dengan berbagai jumlah grid

Simulasi pertama yang dilakukan adalah dengan mencoba beberapa model

dengan jumlah grid yang berbeda. Tujuannya adalah untuk mengetahui bagaimana


Halaman - 37 -

pengaruh jumlah grid terhadap output yang dihasilkan. Dengan mengetahui

pengaruh tersebut diharapkan output dari model dengan jumlah grid tertentu dapat

lebih akurat dan model yang dipilih digunakan sebagai model untuk simulasi-

simulasi selanjutnya.

2. Simulasi dengan model turbulensi yang berbeda

Setelah didapatkan model dengan jumlah elemen tertentu maka perlu

diketahui juga pengaruh pemilihan model turbulensi terhadap hasil yang

didapatkan. Di ANSYS CFX Turbomachinery disediakan 4 buah model turbulensi

yaitu k-epsilon, Shear Stress Transport, BSL Reynolds Stress dan SSG Reynolds

Stress. Dengan melakukan simulasi untuk keempat model turbulensi tersebut

dapat diketahui perbedaan hasil perhitungannya. Diharapkan dengan pemakaian

model turbulensi yang sesuai simulasi selanjutnya memilki hasil yang cukup

akurat dan efisien.

B. Simulasi beberapa kasus diantaranya :

1. Simulasi steady dengan variasi putaran rotor

Kasus pertama yang dilakukan adalah kondisi steady dengan variasi putaran rotor.

Hasil yang didapatkan akan dianalisis dan dibandingkan secara aerodinamika .

Dengan melakukan perbandingan tersebut diharapkan karakteristik aliran serta

pengaruh putaran rotor terhadap daya maupun efisiensi dapat diketahui dan

dipahami.

2. Simulasi quasi steady dengan interface frozen rotor

Kasus kedua yang dikembangkan adalah simulasi dengan menerapkan

interface frozen rotor. Hasil simulasi ini akan dianalisis dengan hasil simulasi

steady. Dengan analisis dan perbandingan tersebut maka karakteristik aliran dapat

diketahui. Hal lain yang diharapkan adalah dapat memahami dengan baik

karakteristik aliran di stator dan rotor dengan interface frozen rotor.

3. Simulasi dengan kondisi unsteady

Simulasi ini dilakukan setelah didapatkan hasil pada kondisi steady karena

simulasi ini membutuhkan harga tebakan awal yang diambil dari kondisi steady.

Simulasi unsteady dilakukan dengan perhitungan yang detailnya terdapat di bab V.


Halaman - 38 -

C. Simulasi dengan melakukan perubahan pada model bilah rotor

Simulasi terakhir yang dilakukan adalah dengan merubah model bilah

rotor. Bilah rotor diganti dari tipe impuls dengan tipe reaksi. Setelah dilakukan

simulasi unsteady, simulasi selanjutnya adalah melihat bagaimana pengaruh

perubahan bilah terhadap perilaku aliran, daya serta efisiensinya.

4.4 Prosedur Simulasi

Data awal yang didapatkan kemudian diolah dalam berbagi tahap.

Prosedur dibagi dalam empat tahapan simulasi. Dengan adanya beberapa kali

simulasi maka beberapa tahapan dibawah ini akan diulang untuk tiap simulasi.

Untuk simulasi dengan melihat perubahan parameter fisik aliran ataupun jumlah

mesh maka tahapan yang diulang adalah kedua atau ketiga saja. Simulasi dibagi

dalam 4 tahap penting yaitu :

1. Membuat geometri turbin dengan CATIA

2. Membuat mesh sebagai domain komputasi dengan ANSYS ICEM

CFD

3. Memasukkan parameter simulasi dan menjalankan solver dengan

ANSYS CFX

4. Melihat hasil simulasi dengan ANSYS CFX

1. Membuat geometri bilah turbin di CATIA

Untuk mendapatkan hasil perhitungan yang akurat maka domain

perhitungan juga harus dibuat sedekat mungkin dengan keadaan sebenarnya.

Mesh sebagai domain perhitungan dibuat dengan acuan geometri, oleh karena itu

tahap pembuatan geometri juga sangat menentukan keakuratan hasil.

Data awal yang didapat adalah hardcopy profil bilah turbin dan dimensinya.

CATIA dipilih sebagai software untuk membuat geometri dengan alasan

kelengkapan fiturnya serta kemudahan bagi pemakai untuk membuat suatu

geometri dengan berbagai parameter.

Berikut ini langkah pembuatan geometri di CATIA :

1. Membuat sistem koordinat baru

2. Menentukan bidang dan membuat sketsa airfoil stator dan rotor untuk hub


Halaman - 39 -

3. Menetukan bidang dan membuat sketsa airfoil stator dan rotor untuk

shroud

4. Mengatur orientasi bidang shroud terhadap hub untuk mengatur sudut

twist

5. Membuat parameter yang digunakan untuk mempermudah modifikasi

geometri seperti jumlah bilah, posisi airfoil dan sebagainya.

6. Menguhubungkan profil airfoil hub dan shroud dengan acuan sumbu rotasi

7. Membuat permukaan untuk kondisi batas

8. Menyimpan file dalam bentuk .igs agar bisa dibuka di ANSYS ICEM

CFD untuk membuat mesh

Keluaran dari tahapan ini adalah file geometri yang nantinya dapat dibuka di

ANSYS ICEM CFD.

Ada berbagai macam tipe file yang dapat diimport ke ANSYS ICEM CFD

antara lain ACIS, CATIA V4, DDN, DWG, STEP/IGES dan lain sebagainya.

Untuk tugas akhir ini dibuat dalam tipe file IGES atau file dengan ekstensi .igs.

Dibawah ini adalah gambar hasil pembuatan geometri di CATIA V5,bagian turbin

yang digambarkan domain komputasi dan batas-batasnya. Seperti dinding bilah

serta daerah inlet fluida dan outlet fluida.

Gambar 4.5 Pandangan 3D bilah stator dan rotor


Halaman - 40 -

Gambar 4.6 Domain komputasi stator

Gambar 4.7 Domain komputasi rotor impuls

Gambar 4.8 Domain komputasi rotor reaksi


Halaman - 41 -

2. Membuat mesh sebagai domain komputasi di ANSYS ICEM CFD

Tujuan dari tahap ini adalah menghasilkan mesh sebagai domain

perhitungan. Perangkat lunak yang digunakan adalah ANSYS ICEM CFD,

prangkat lunak ini menyediakan fitur pembuatan grid secara otomatis sehingga

menghemat waktu dan tenaga.

Berikut ini langkah pembuatan mesh di ANSYS ICEM CFD :

1. Mengimport file geometri yang telah dibuat di CATIAFile yang diimpor

adalah file hasil geometri di CATIA, bertipe .igs. File ini adalah file hasil

membuat model di CATIA V5 misalnya rotor.igs setelah diimpor ke

ANSYS ICEM CFD menjadi rotor.tin

2. Memperbaiki geometri bila terjadi ketidaksesuaian dengan membuat garis-

garis dan titik-titik yang baru

Repair geometri-buid topology adalah satu command yang digunakan

untuk membuat point dan curve dari garis dan titik yang dibuat di CATIA.

Perbaikan dapat berupa penggabungan beberapa garis, permukaan maupun

pemisahan garis dan permukaan. Pembuatan garis dan titik yang baru

biasanya diperlukan sebagai acuan dalam membuat block akan dijelaskan

di nomor 4.

3. Membagi permukaan ke dalam part-part baru yang akan digunakan

sebagai kondisi batas.

Untuk satu bilah biasanya dibagi dalam beberapa part seperti inlet,

outlet, hub, shroud, blade, dan periodic1 dan periodic2. Untuk blade bisa

juga dibagi menjadi beberapa part seperi upper blade dan lower blade.

4. Menentukan pembagian blok dengan membuat titik, garis dan permukaan

yang membatasinya.

Hal pertama yang dilakukan adalah menentukan strategi bagaimana

membuat blok. Blok sangat penting karena menentukan bentuk dan

kualitas grid. Semakin kompleks geometri yang dimodelkan maka

semakin besar juga usaha untuk membuat blok. Untuk model bilah turbin

ini dibuat 5 blok untuk setiap bilahnya. Titik dan garis dibuat setelah

diputuskan berapa dan bagaimana blok akan dibuat di geometri.


Halaman - 42 -

5. Membuat blok dan mengasosiasikan ke geometri agar mesh yang dibuat

dalam blok sesuai dengan geometri.

Command yang digunakan di langkah ini adalah create block dan split

block, associate vertex, curve dan surface.

6. Menentukan jumlah elemen yang akan dibuat dalam mesh untuk tiap block

Command yang digunakan adalah Pre Mesh parameter-edge

paremeter. Command ini digunakan untuk menentukan berapa jumlah

elemen dalam tiap edge sehingga jumlah elemen keseluruhan dapat

ditentukan.

7. Melihat elemen elemen sebelum terjadi mesh di Pre Mesh

Hal ini dapat dilakukan dengan cara mengaktifkan Pre Mesh.

Dengan mengaktifkan Pre Mesh kita dapat melihat bagaimana distribusi

mesh di bilah turbin. Misalnya untuk daerah trailing edge dimana terdapat

kemungkinan terjadi separasi aliran ataupun fenomena aliran yang lain

sebaiknya grid harus lebih banyak. Untuk daerah lain yang diperkirakan

tidak terjadi fenomena tertentu sebaiknya tidak perlu diperbanyak dengan

pertimbangan lamanya waktu komputasi.

8. Mengatur kembali jumlah elemen dan melihat kualitas mesh yang sudah

dibuat dengan kriteria tertentu

Setelah melihat dan melakukan penyesuaian jumlah dan susunan grid

maka grid yang dibuat harus dilihat apakah memenuhi kriteria untuk dapat

dilanjutkan Command yang digunakan adalah Pre Mesh quality dengan

kriteria volume dan angle.

9. Mengubah Pre Mesh menjadi Unstructured Mesh bila kualitas mesh sudah

mencukupi

Bila mesh yang dihasilkan dirasa mencukupi dan memenuhi kriteria maka

Pre-mesh yang dihasilkan diubah menjadi mesh dengan command Convert

to unstructured mesh.

10. Mengubah setting solver ke Fluent V6 atau V4 untuk mendefinisikan

kondisi batas


Halaman - 43 -

Untuk mendefinisikan kondisi batas, solver harus diganti dahulu ke Fluent

V6. Kondisi batas yang diterapkan adalah pressure inlet, pressure outlet,

wall, periodic.

11. Setelah mendefinisikan kondisi batas maka solver di setting ke ANSYS

CFX. Solver yang tadinya Fluent V6 harus diubah kembali ke ANSYS

CFX sehingga file output yang terbentuk bertipe .cfx5.

12. Membuat file output dalam bentuk .cfx5

Dengan command write input ANSYS ICEM CFD akan membuat file

dengan ekstensi .cfx5. File bentuk ini akan digunakan sebagai input oleh

ANSYS CFX. Mesh yang dihasilkan disajikan sebagai berikut :

Gambar 4.9 Blok domain komputasi stator

Gambar 4.10 Blok domain komputasi rotor impuls dan reaksi


Halaman - 44 -

Gambar 4.11 Mesh untuk bilah stator dalam 3D

Gambar 3.12 Mesh untuk bilah stator dalam 2D

Gambar 3.13 Mesh untuk bilah rotor impuls dalam 3D


Halaman - 45 -

Gambar 3.14 Mesh untuk bilah rotor impuls dalam 2D

Gambar 3.15 Mesh untuk bilah rotor reaksi dalam 3D

Gambar 3.16 Mesh untuk bilah rotor reaksi 2D


Halaman - 46 -

3. Memasukkan parameter simulasi dan menjalankan solver ANSYS

CFX

Parameter yang menjadi masukan antara lain :

ANSYS CFX-Pre :

• Jenis Fluida : Water vapour

Fluida yang digunakan adalah uap air dengan tekanan 6.31 bar dan suhu

161.9 °C. ANSYS CFX telah menyediakan berbagai macam jenis fluida,

kita tinggal memilih ataupun dapat memasukkan nilai-nilai tertentu dalam

penentuan jenis dan keadaan fluidanya.

Untuk simulasi ini digunakan fluida uap air dengan asumsi gas ideal

( water ideal gas).

• Tipe simulasi : Steady dan Transien

Terdapat 2 macam tipe yang dapat dipilih untuk simulasi, tipe steady

digunakan untuk simulasi dimana parameter aliran yang tidak berubah

terhadap waktu. Transien merupakan kondisi dimana parameter aliran

berubah terhadap waktu. Tugas akhir ini akan mensimulasikan kedua

kondisi tersebut.

• Data Model : Tekanan referensi, Heat transfer dan Model turbulensi

• Kondisi Batas : P Total Inlet - P Static Outlet Flow direction

Interface S1 to S1 : Periodic

• Boundary definition : Wall (no slip)

ANSYS CFX-Solver :

• Type of Run : Full

• Run Mode : Serial

4. Melihat hasil simulasi ANSYS CFX

Hasil perhitungan lalu diekspor ke ANSYS CFX Post. Workspace ini

digunakan untuk melihat berbagai hasil dalam kontur, vektor, streamline. Seperti

misalnya vektor kecepatan dan kontur tekanan di bidang cascade. Dengan melihat

hasil dalam bentuk tertentu diharapkan akan menjadi lebih mudah dipahami dan

analisis akan menjadi lebih cepat.


Halaman - 47 -

Salah satu contoh adalah apabila kita ingin melihat kontur properti di

bidang cascade :

1. Membuat Plane (bidang) dimana kontur kecepatan ingin kita

ketahui

2. Membuat Contour yang letaknya di bidang 1

3. Mengatur variabel yang ingin diketahui sepert tekanan, kecepatan

ataupun Mach Number beserta jumlah kontur yang terlihat.

4. Membuat Vector ataupun Streamline di bidang lain yang ingin kita

ketahui propertinya

simulasi cfd

Engineering